近期，德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所為DVS 研究項(xiàng)目 “KoaxHybrid”開發(fā)了一種新的混合焊接工藝。在亞琛，該研究所的工程師們開發(fā)了一種全新的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用玻璃基板和電弧炬，將氣體保護(hù)金屬電弧(GMA) 焊接和激光材料沉積與環(huán)形光束結(jié)合在一起，從而創(chuàng)造了一種全新的工藝。

　　新工藝結(jié)合了兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：兩種不同的添加工藝和線狀填充材料，即線弧增材制造（WAAM）和線激光材料沉積（WLMD）。這兩種工藝都有與系統(tǒng)相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：與 WAAM 相比，WLMD 成本高，沉積速率低，但特點(diǎn)是熱量輸入低且可以精確地在所需位置形成層。因此，航空航天行業(yè)對(duì)這種技術(shù)的需求特別大。如果需要更高的加工速率，WAAM 是更好的選擇。因此，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的表面為波浪形狀，層堆積明顯更粗糙。

　　在連接中，激光束焊接和氣體金屬弧焊的組合被命名為 LB-GMA 混合焊接。然而，這種橫向過程取決于方向，僅在有限范圍內(nèi)適用于三維接縫的連接。當(dāng)這些工藝同軸組合時(shí)，沉積速率可增加高達(dá)150%，因此新的方向無關(guān)3D 打印工藝也可用于大型部件。“由于表面波紋度降低，與WAAM 工藝相比，所需的后處理量顯著減少。”Fraunhofer ILT 研究員Max Fabian Steiner 解釋道。

　　組合工藝確保協(xié)同效應(yīng)

　　線弧增材制造是一個(gè)成熟而穩(wěn)健的過程，因?yàn)椴粌H可以廉價(jià)地獲得必要的系統(tǒng)技術(shù)，而且適用于大多數(shù)金屬材料加工。Steiner 解釋了其缺點(diǎn)：“然而電弧不能像激光束那樣精確地聚焦。也不能像激光一樣產(chǎn)生精細(xì)和精確的軌跡。”

　　Steiner 和他在研究所的同事Jana Kelbassa 開發(fā)并建造了一種特殊的水冷光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用玻璃基板和水冷電弧焊炬，用于高功率焊接和增材制造。在新的光學(xué)系統(tǒng)中，兩個(gè)能量源被疊加，并且兩個(gè)單獨(dú)過程的強(qiáng)度被有利地結(jié)合。

　　在混合工藝中，導(dǎo)線末端和基板之間的電弧被環(huán)形激光輻射包圍，就像被套環(huán)包圍一樣?；【€不能脫離該項(xiàng)圈，而是被強(qiáng)制引導(dǎo)。這一新工藝的名稱“COLLAR Hybrid”源于這一 “強(qiáng)制引導(dǎo)”，其中的首字母縮寫“COLLAR”指的是兩種工藝的共軸激光弧。

　　當(dāng)Fraunhofer ILT 使用新的系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)具有環(huán)形激光束和電弧技術(shù)的金屬3D 打印時(shí)，亞琛工業(yè)大學(xué)焊接與連接研究所正在使用它開發(fā)具有環(huán)形聚焦和同軸送絲的方向獨(dú)立混合焊接。這兩個(gè)用例都是DVS 研究項(xiàng)目“KoaxHybrid” 的一部分。

　　適用于非線性連接

　　但不僅僅是更高的焊接速度。根據(jù)初步測(cè)試，與電弧焊接相比，焊接速度提高了約100%，這使得新的混合工藝與眾不同。“當(dāng)涉及到不僅僅是線性焊縫時(shí)就變得困難了，”Steiner 說，“在每一個(gè)拐角或曲線處，傳統(tǒng)的設(shè)置都必須旋轉(zhuǎn)，這會(huì)導(dǎo)致在規(guī)劃路徑時(shí)花費(fèi)大量精力。”

　　“另一種方法是套環(huán)工藝，其光學(xué)器件可以實(shí)現(xiàn)任何方向的焊接。此外，這種方法還能有另一個(gè)積極的效果：由于電弧的引導(dǎo)，在連接處就不需要太復(fù)雜的焊前準(zhǔn)備，同時(shí)還能滿足厚板焊接。”

　　電弧和激光共享工作

　　如果需要非常精細(xì)和粗糙的結(jié)構(gòu)，可以改變工藝的比例。通過純激光或大部分激光工藝（電弧完全或低功率關(guān)閉），可以沉積具有挑戰(zhàn)性的區(qū)域和精細(xì)結(jié)構(gòu)。在大多數(shù)電弧工藝中，較粗的結(jié)構(gòu)例如具有大沉積速率的區(qū)域，可以以更快、更具成本效益和更低的能量輸入進(jìn)行沉積。

　　類似的構(gòu)建策略也適用于鋁或銅等材料，否則通常需要更昂貴的藍(lán)光或綠光激光源。“例如，使用電弧分解氧化鋁層，其熔化溫度為2200° C，”Steiner 在一次成功的實(shí)驗(yàn)中報(bào)告， “但下面的鋁層只有660° C 的熔化溫度，可以用較低的綜合功率進(jìn)行焊接或加工。”

　　DVS 焊接和相關(guān)工藝研究協(xié)會(huì)的IGF 項(xiàng)目“用于聯(lián)合焊接和增材制造的環(huán)形焦點(diǎn)和同軸送絲的獨(dú)立激光-MSG 混合焊接-KoaxHybrid”，是由AiF 德國工業(yè)研究聯(lián)合會(huì)資助聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和氣候行動(dòng)部促進(jìn)集體工業(yè)研究(IGF) 計(jì)劃框架內(nèi)的協(xié)會(huì)項(xiàng)目。

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